搜索接觸面力學性能研究及數值分析
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
研究巖石一巖石節理或混凝土一巖石接觸面的力學行為對于評價巖體的穩定性及工程體與巖基的穩定性有重要的意義。通過ANSYS有限元軟件構建了在寬度方向一致的三維粗糙表面,模擬計算了Bandis等在玄武巖試件上的直剪試驗和Patton剪脹公式,并將數值計算結果與試驗結果和理論解對比。獲得了較好的結果,從試驗和理論上驗證了ANSYS在分析接觸面剪切力學行為方面的可行性。隨后,借助數值計算,探討了尺度分雛參數凡與粗糙界面峰值剪應力的關系,證實了心適于粗糙界面力學性能的研究,并獲得了固定邊界條件下兩者的關系表達式。
作者: 王長軍*楊遠志*李勇會*胡志剛 來源: 萬方數據
關鍵字: CAE ANSYS 粗糙表面 剪切力學行為 數值計算 直剪試驗
在大型土木工程建造和運營過程中,工程體與地基或地質體的相互作用一直是土木工程和巖土工程穩定性研究的一個基本問題,其穩定性是兩者相互作用的綜合結果,如重力壩壩基穩定、巖石錨固、橋梁錨碇等問題。接觸面的力學行為直接影響著地質體同工程體的相互作用,特別是動態相互作用,因為二者主要是依靠接觸面傳遞應力和位移。如果接觸狀態不好,極易造成地質體和工程體系統的不穩定,甚至造成失穩破壞。但是,長期以來,工程界和學術界在進行工程體一地質體的分析、計算時,一直將其視為一體兩介質,只強調了二者在材料屬性的差異,并在設計時將接觸界面簡化為平直面,而忽略了接觸界面的實際形貌及自身性能。目前,國內外學者對于界面力學的研究重點主要集中在對于巖體的力學性質和巖體的穩定起著重要控制作用的結構面,而結構面剪切強度尤其受到關注。通過試驗和理論分析,Patton、Barton、Ladanyi以及國內學者孫廣忠、易成等,都提出了適用于一定條件下的經驗公式或理論推導公式。
近些年來,利用數值模擬同試驗相結合的研究方法受到越來越多的關注。在巖土工程方面,Goodman等最早將有限單元方法應用于巖體中的節理力學研究,建立了考慮材料非線性的無厚度節理單元。隨后,許多研究人員都對接觸面單元進行了相應研究或應用。此外,應用較多的還有邊界元,離散元,流行元,無單元法等數值計算方法。然而,這些數值分析很多都是自編的專業軟件,普適性較差。
本文嘗試借助通用有限元軟件ANSYS模擬巖石結構面在直剪作用下的力學行為,以期獲得ANSYS在此方面進行模擬計算的可行性論證,進而分析粗糙界面的力學性能。
剪切試驗有限元模型分析
1 剪切實驗有限元模型分析
1.1 試驗介紹
Bandis等對巖石節理面變形的基本理論進行了試驗研究和理論探討,考慮到此篇文獻較好的價值,經常被討論和引用的實際情況,本文擬使用ANSYS軟件對試驗進行三維數值計算。Selvadurai等曾運用ABAQUS有限元軟件已對試驗進行了二維簡化模擬,獲得了較理想的結果。
直剪試驗由便攜式巖石剪切儀控制。為方便同試驗結果和Selvadurai的數值結果相比較,本文選取尺寸:長100mm,寬60mm,高70mm的玄武巖試件進行模擬分析。并人工仿制了一條與試件表面相似的粗糙曲線(如圖1)。
圖1 試件表面形貌
1.2 單元計算模型
建模時將圖1所示曲線拉伸成寬度方向一致的粗糙界面,采用Solid95三維實體單元來建立巖石,它是20節點的高次單元,可在精度損失不大的情況下適應不規則的形狀,非常適合建立曲線的邊界。上下兩體的粗糙接觸面,采用Targel70和Contal74附著在Solid95上形成接觸對來實現模擬。在試驗中,不規則界面的任一微小細節都會承受外載作用,所以在分網時,需要對粗糙界面附近區域進行局部的細化,以保證計算精度,本文采用的單元模型如圖2所示。
圖2 分網細化后的單元模型
1.3 本構模型
1.3.1 ANSYS接觸分析模型
ANSYS軟件以基本Coulomb摩擦模型來控制接觸面之間的粘結(stick)和滑動(slide),兩接觸面在滑動之前可以承受剪應力到一定數值,并產生相應的彈性滑移量。其在滑移開始時刻的數學表達式為:
=p+COHE (1)
式中:p+COHE時,兩接觸面間處于粘結狀態。
1.3.2 巖石材料本構模型
巖石材料屬于顆粒材料,其受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度,且材料受剪時,顆粒會膨脹,常用的Mises屈服準則并不適合。為考慮巖石變形的非線性和獲得較為精確的結果,選用DP模型進行彈塑性分析。DP材料使用的屈服準則是對Mohr-Coulomb準則的近似,其塑性行為被假定為理想
彈塑性材料。
2 直剪試驗模擬計算結果分析
模擬采用的玄武巖材料參數特性如表1,對試件在不同法向壓應力(0.52MPa、1.05MPa、2.10MPa)下的直剪試驗進行數值計算。
表1 玄武巖的數值計算參數
試驗模擬時將荷載步分為兩步,先施加法向壓應力,后施加切向剪切位移。圖3給出了本文應用ANSYS軟件三維建模計算出的結果同Bandies的試驗結果和Selvadurai計算結果的比較曲線,從中可以看出,在法向應力為0.52MPa和1.05MPa時,三條曲線彼此之問吻合的較好,在數值上也較為接近,但在法向應力加大為2.10MPa時,兩條數值模擬的曲線在數值上都略高出了試驗曲線,不過,模擬所得曲線在峰前行為上仍較為吻合。從各組結果的比較上可以得出,數值計算是可以反映粗糙界面剪切力學性能的變化趨勢。
圖3 本文模擬結果與Bandis試驗及Selvadurai模擬結果對比
3 模擬計算結果和理論公式計算結果對比
1966年Patton第一次提出了巖體結構面抗剪強度的剪脹模型公式,并用一系列規則鋸齒的人工結構面剪切試驗證實了這一結論。當結構面有起伏角為i時的規則鋸齒起伏,如果結構面的粘結強度為零,其抗剪強度為:
=tan(+i) (2)
該式即為剪脹公式,
圖4 A~F六組剪切位移曲線
表2 規則鋸齒狀起伏界面ANSYS模擬計算結果與Patton剪脹公式理論計算結果對比表
4 Rd指標與界面力學性能關系分析
接觸面粗糙度對于其力學性能有著實質的影響,目前,常用的描述不連續表面的方法有:挪威學者Barton提出的JRC曲線法;基于分形理論建立起來的分形節理描述法和利用數理統計描述節理幾何特征的方法。
易成教授在分析了以往各類描述指標的局限性后,借助分形理論,提出了一個新的描述表面粗糙形貌的尺度分維描述參數凡。Rd指標的合理性在于放大了大尺度細節的作用,反映了大尺度粗糙細節對力學性能影響大的事實。它不僅可以描述粗糙的表面,還可以描述粗糙的曲線,其表達式為:
其計算原理是把實測得到分形前階段不穩定分維值取與相應的量測尺度,結合起來考慮。對一系列典型圖形和實測粗糙巖石表面采用不同描述指標進行對比分析計算,驗證了如指標的合理性。但是其反映界面力學性能的能力又如何呢?
本文構建了五條不同粗糙程度的曲線(如圖5),利用前面所采用的建模方法,單元類型,材料本構分別計算分析了法向力為4MPa時的界面剪切強度,并將所獲得的界面峰值剪應力與相應的Rd指標計算值繪成圖6所示的關系圖。
可見,Rd值和其所表述的界面剪切強度有著密切的關系,心值大峰值剪應力也大;Rd值小峰值剪應力也小。
經擬合得到在此固定邊界條件下如指標與峰值剪應力之間的關系式如下:
max=ln(Rd+0.718)4.6277 (4)
圖5 A~E五條粗糙曲線 圖6 A~E五組界面剪切強度與尺d值關系
由此可知:Rd指標既有描述粗糙界面的能力,也有著與界面力學性能密切相關的內在聯系,適合應用于對粗糙界面力學性能的研究。其與界面力學性能不同邊界條件下的剪切強度公式將在以后工作中逐步闡述。
5 結語
(1)與Bandis的試驗結果和Selvadurai模擬結果對比可知,在低法向力下,數值結果與試驗結果吻合的較好,而當法向力增大后,其數值上高出試驗結果,但從各組結果的對比中,是可以反映出彼此間的趨勢變化,因此ANSYS軟件可以對剪切試驗在趨勢上進行準確的模擬分析。
(2)Patton剪脹公式的模擬計算,在巖石未發生較大變形的低法向力下,獲得了與理論解極為接近的結果,可見在對規則界面的模擬計算時,ANSYS在數值解上也是可以接受的,同時表明與Bandis試驗結果數值上不符是需要對試驗和數值模擬兩方面做進一步證實的。
(3)應用數值計算,證實了尺度分維參數R指標適合于建立粗糙界面與其力學性能一一對應的關系表達式,并獲得了固定邊界條件下兩者的強度公式。
本文僅針對了上下體材料一致的Bandis試驗和Patton剪切公式進行了模擬,獲得了借助ANSYS進行研究兩體接觸問題的可行方法,但對于具體的上下體材料不一致、寬度方向不一致的真實三維粗糙表面剪切問題、在剪切作用下材料的彈塑性和軟件本身的設置處理以及包含尺度分維參數Rd的剪切強度公式并沒有給出詳細的分析討論,這些內容都有待在今后的研究中做更具體闡述。
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